为什么黑洞会有吸积盘而不是四面八方都吸进来物质,最后形成一个发光的球体呢?

__小易


黑洞是暗物质的旋转形成的,它根本就不是一个实质性的天体。例如离我们最近的比邻星,就是一个三星系统,三颗恒星围绕共同的质点中心旋转,同时又随着银河系的暗物质自旋盘公转。那么这三颗恒星都在一个暗物质漩涡中运动,中心往下,不和它们在一个平面,就应该对应着一个很小的“黑洞”。所以小黑洞在银河系就不知道有多少?非常常见,不足为奇。它的公转方向和速度就是银河系的自旋方向和速度,所以造不成多大危害。

黑洞都有自己的“吸积盘”,也就是旋转的“黑洞壁”。“黑洞壁”承受着巨大的压力,同时向外产生反作用力“斥力”,向上产生吞噬现象。进入这个范围,就会被高速旋转的暗物质带入黑洞,包括“光”。还有一种吞噬就是,物质进入黑洞视界范围的上方,很远距离就会被进入黑洞的暗物质高压气流带入,产生吞噬现象。一种是高速旋转的高密度暗物质进行吞噬,一种是进入黑洞的高压暗物质气流进行吞噬,这是两种情况。

黑洞质量都集中在黑洞壁,里面就是一个“洞”,是平衡星系结构上下气流的通道。里面没有实质性星体,也没有理论上的那个“奇点”。黑洞内最奥秘的是没有我们这样的时间(指星系中央黑洞)。

高速旋转的黑洞壁里面有物质的存在,所以能被观察到。

黑洞的吞噬是有方向性的,向周围产生的是“斥力”,向上才产生吞噬现象。


暗物质原理


在回答此问题之前,我们先来看看什么是吸积盘。吸积盘,毫无疑问,就是一种类似盘子形状的,它常常是绕着恒星运动,是由一种弥散的物质组成的,围绕中心体(包括恒星,黑洞,白矮星等等)转动的结构。



吸积盘是如何形成的呢?我们知道,中心天体都有引力,其周围的气体都会向它靠拢,如果这些气体的角动量足够大的话,在它们向中心天体靠拢时,其产生的一种离心力就能够与中心天体的引力相抵抗,这样的话,就形成了一个类似于盘状的结构,我们就称它为“吸积盘”。


所以说,吸积盘不只存在于黑洞中,它也存在于其他的天体中。在吸积盘中,物质是通过较差转动及粘滞向外传递角动量的,在此过程中,气体身上的引力能得以释放,同时,它们加热吸积盘中的气体,这样,吸积盘中的气体就会向外辐射,而黑洞的吸积盘产生的辐射大多都处于光谱x—射线区,这是在事件视界之外,再加上有许多外界物质被吸入黑洞中,而吸积盘产生的辐射处于光谱区,又同时做着旋转运动,所以我们也就能观测到它是一个发光的球体了。


当黑洞周边的物质(带有角动量)落入黑洞中心时,物质的重力与角动量损失,而由于总角动量守恒,这些物质就会被空间里湍流而增加的粘滞力脱离黑洞中心,而此时的角动量就被传到吸积的物质上了,这些角动量使一些物质相互摩擦碰撞产生了电磁辐射,所以在黑洞吸积盘的垂直方向只吸收物质,并且也是在垂直方向才会有光线发出。

黑洞都有一个事件视界,在视界以内,光是无法逃离的,但是在视界之外,我们可以看到光,而吸积盘在朝向事件视界转动时,它就会为电磁辐射提供能量,所以也就成一个发光的球体了,说到底,这些光还是来自于电磁辐射源。


时间史


黑洞都拥有三个基本特征,质量、电荷和角动量。所有自然生成的黑洞都会旋转,这是因为其继承了其前身恒星的角动量守恒导致的。

大质量恒星死亡发生超新星大爆炸后,中心的残留核心部分由于巨大的引力压力,坍缩成一个黑洞,会保留原有恒星的角动量,由于其体积变得无限小,旋转速度就变得非常快,强大的引力会吸积周边物质向自己靠拢,巨大的离心力会使这些物质围绕着黑洞赤道上下形成一个巨大的吸积盘。

这就是黑洞会形成吸积盘的原因。快速旋转的吸积盘将物质甩成一个盘状,垂直于这个“盘子”的两个方向物质在巨大离心力作用下会向赤道方向甩出,所以黑洞那黑黑的空洞部分就会暴露出来。

前不久科学界在世界多地同步发布的M87星系黑洞照片就是这样,就像一个甜甜圈,在金黄带红的光环中心有一个黑黑的窟窿。

科学家宣布,M87星系黑洞周围的吸积盘每2.5天会绕着这个黑洞旋转一圈,这个数据引起了天文爱好者们一番质疑和热议。

许多人根据这个黑洞具有65亿个太阳质量计算,其史瓦西半径约为192亿公里,这样事件视界赤道周长就是1206亿公里,2.5天旋转一圈,就达到55.8万公里/秒的速度,大大超过了光速。

而围绕着这个黑洞旋转的并非是光,而是星际尘埃碎片等物质,由于极快速度的旋转和碰撞,迸发出来的等离子体,根据爱因斯坦相对论,这类物质是不可能达到光速运行的。

但科学的观测数据是严谨的,不容怀疑。于是在科学界没有给出解释之前,一些爱好者给出了解释:这个2.5天转一圈的速度并非在黑洞赤道处,而是在黑洞球面的高维度。

吸积盘并非一个薄薄的盘状,而是一个很厚的盘状,球状史瓦西半径的高维度,那里的周长远远没有达到那么大的尺度,物质的旋转速度并没有达到光速。

本文并不讨论这个解释的正确性,我想这个问题还是等科学界的权威结论吧。但这个观测证据至少说明,吸积盘的角动量是很大的,旋转速度非常快,这个巨大的离心力,足以将黑洞的球状事件视界甩出一个空洞,使看起来空空如也的黑洞露出其本来面目。

因此高速的旋转形成的吸积盘,是黑洞不会完全是一个封闭的发光球体的原因。

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时空通讯


黑洞有很多,但很难看见

宇宙中不只黑洞有吸积盘,其它许多的星体都存在吸积现象。打个比方,太阳系诞生之初就是因为星系尘埃的吸积作用才产生了今天太阳系内的所有星体,包括我们的地球。

黑洞在太空中有很多,不仅绝大多数星系的中心都存在一个或两个黑洞,在这些星系的其它地方也有许多因恒星死亡、超新星爆发而产生的大大小小的黑洞。根据激光干涉仪引力波观测台(LIGO)2016年以来探测到的多个引力波信号估计,仅银河系就有多达1亿个黑洞!

科学家们知道太空中有许多黑洞,也知道去哪儿找它们,但这么多年过去了,他们只在前两天才第一次拍下一张模模糊糊的照片。这究竟是为什么呢?

因为黑洞几乎都被吸积物质包裹起来,成为了一个个发光的球体。

(类星体ULAS J1120+0641想像图,距地球288亿光年,吸积盘中藏着一个20亿倍太阳质量的黑洞)

另一些有可能吞光了周围尘埃的黑洞,由于它周围空无一物,黑乎乎的它与周围的太空融为一体,就像是穿了件隐身衣,你很难发现它。

黑洞的强光来自吸积盘

大部分的黑洞都是以类星体的形态展现在宇宙中的。它们是一些极其明亮的活动星系核,核的内部藏着一个超大质量黑洞。由于黑洞强大的引力作用,星系中的气体及尘埃被它吸引,形成吸积盘。在靠近黑洞的地方,气体和尘埃因为剧烈的摩擦与碰撞,它们有高达10%-30%的物质被转化成了能量。要知道,恒星中的核聚变反应也只是燃烧了约0.7%的物质。

这就是大量类星体照亮整个宇宙的原因。

有如此明亮的外壳包围,我们要想隔着几千万光年剥开洋葱,找到里面黑暗的内核,其难度可想而知。

(大多数的黑洞看起来是这样的,没错,这是类星体,黑洞在中间,我们看不见)

吸积盘形成

如前文所述,吸积现象是天体物理学中极普遍的现象。与吸积盘相伴而生的是其轴向强大的射流,有些类星体的射流可以长达几千光年。类星体通过这种射流,在不损失太多质量的情况下保持角动量的平衡。

当星系内物质接近黑洞时,它会以一个螺旋状的轨迹向中心运动。大量粒子在湍流中相互摩擦、碰撞和反弹,摩擦产生热,从而辐射能量,减少粒子的角动量,使粒子向内漂移,驱动其向内螺旋前进。

随着粒子降落到更较低的轨道,其重力势能的一部分被转换,使粒子加速。粒子轨道越接近黑洞,它的速度就越来越大,同时越来越多的粒子因为摩擦产生热,从而将自己的能量通过X射线辐射出去。

(NASA核光谱望远镜阵列NuSTAR拍摄的Markarian 335超大质量黑洞吸积盘X射线光)

黑洞的吸积盘有多种形态,有的呈漏斗形,有的像一张薄薄的唱片,有的像一个面包圈,还有的简直就是一团乱麻。造成这一结果的因素很复杂,有的与黑洞本身的质量相关;有的与黑洞形成的年龄有关系;有的取决于黑洞周围气体分布、恒星的影响甚至附近有没有另一个黑洞在捣乱。

如果一个物体没有对准轨道,它的命运将会如何?

混乱的吸积盘

英国一组研究人员跟踪了一个距我们10亿光年编号PG211 + 143的超大型黑洞附近一颗地球大小的行星,因为这颗星球的轨道似乎出了什么问题,果然在一天后,这颗星球因为没对准黑洞的吸积盘,最终以光速1/3的高速度被黑洞吞没。

(一颗星球因轨道混乱而落入PG211 + 143黑洞)

事实上,绝大部分的黑洞都是通过不断吞噬周围的物质,甚至相互吞并来迅速增加质量的。在此过程中,黑洞周围的吸积盘会出现短期混乱,然后渐渐归于平静。而一旦被吞吃的是大质量恒星,很可能意味着吸积盘发生彻底的改变。

在最靠近黑洞的地方,吸积盘变得非常活跃,星尘粒子间剧烈摩擦,产生的高温等离子体流几乎将黑洞整个包裹起来。

(F01004-2237黑洞吞没恒星模拟图,能量释放发出的光芒照亮了整个星系)

总结:

尽管许多星空艺术家用计算机软件画出了无数黑洞吸积盘壮观优美的画面,但事实上黑洞的周边从来就不是个平静祥和的去处,这里有极高的温度、强大的磁场和肆虐的宇宙射线,还有时刻吞噬一切的黑暗地狱,一旦接近视界边界,任何物质都不可能逃脱。

再美丽的吸积盘,都只是一个陷阱。

(M77星系中心黑洞的吸积盘看起来就像是一个巨大的轮胎)


老粥科普


跟角动量守恒有关。确实被吸积的物质是从四面八方来的,但是靠近黑洞的时候就被吸积盘里的其他物质阻挡碰撞摩擦,释放掉了多余的角动量,只有沿赤道方向旋转才是最稳定的。


老馒头簸箕


吸积盘现象是这个宇宙很普遍的现象,因为黑洞虽然在吸引周围的物质,但这些物质在落向黑洞的过程中也会互相吸引,这个过程就导致四面八方的物质渐渐的变成一个盘状。我们的银河系,太阳系也是如此,渐渐的都会变成一个盘状。这个盘状的位置取决于当初四面八方物质中,质量最大一块在哪个平面上。


丘吉耳


黑洞本身是一个圆盘状的天体,由于黑洞的高速旋转,黑洞的引力场并不是均匀的,而是圆盘旋转轴心区域引力场强度非常大,而圆盘边沿区域的引力场强度一般化。所以只有进入黑洞旋转中心区域引力场的物体,才能被黑洞吞噬。而在黑洞圆盘边沿区域的天体则难以被黑洞吞噬。


光量子宇宙


黑洞不是最终!它也只是个物理过程中的一个环节,黑洞下面还有奇点,时空奇点,过了奇点是什么,那也许是另外一个与我们这个时空平行的时空,在那个时空里也有与我们这类似的银河宇宙之类的,经奇点出来的物质在另一个时空展开成宇宙。另一个时空也有大量的黑洞和奇点与另外的时空互联互通。所有物质过奇点会被置零,从新开始。


影子我喔


黑洞其实就是原巨大质量的星球(天体)死亡后(能量耗尽)不再发光发热,而且拥有巨大的引力,收集周边的能量而已。黑洞等待再次复活……


A哥趣事


光束是物质当中最强“硬”的一种,至今没有一种物质能把光束弯曲,最好是你亲自用钳子试一试,看看能否让光束弯曲,而黑洞能吸引光束这是天方夜谭。

光束不可能弯曲!

图为光束不可弯曲原理图



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